Prototype-enhed muliggør foton-foton-interaktioner ved stuetemperatur til kvanteberegning

Normalt, lyspartikler - fotoner - interagerer ikke. Hvis to fotoner støder sammen i et vakuum, de går simpelthen igennem hinanden.

En effektiv måde at få fotoner til at interagere kan åbne nye udsigter for både klassisk optik og kvanteberegning, en eksperimentel teknologi, der lover store speedups på nogle typer beregninger.

I de seneste år, fysikere har aktiveret foton-foton-interaktioner ved hjælp af atomer af sjældne grundstoffer afkølet til meget lave temperaturer.

Men i det seneste nummer af Fysisk gennemgangsbreve , MIT-forskere beskriver en ny teknik til at muliggøre foton-foton-interaktioner ved stuetemperatur, ved hjælp af en siliciumkrystal med markante mønstre ætset ind i den. I fysikjargon, krystallen introducerer "ikke -lineariteter" i transmissionen af ​​et optisk signal.

"Alle disse fremgangsmåder, der havde atomer eller atomlignende partikler, kræver lave temperaturer og arbejder over et smalt frekvensbånd, siger Dirk Englund, en lektor i elektroteknik og datalogi ved MIT og seniorforfatter på det nye papir. "Det har været en hellig gral at finde på metoder til at realisere ikke-linearitet på enkeltfotonniveau ved stuetemperatur under omgivende forhold."

Tilslutter sig Englund på papiret er Hyeongrak Choi, en kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi, og Mikkel Heuck, som var postdoc i Englunds laboratorium, da arbejdet blev udført og nu er på Danmarks Tekniske Universitet.

Fotonisk uafhængighed

Kvantecomputere udnytter en mærkelig fysisk egenskab kaldet "superposition, "hvor en kvantepartikel kan siges at bo i to modstridende tilstande på samme tid. Spinnet, eller magnetisk orientering, af en elektron, for eksempel, kunne være både op og ned på samme tid; polariseringen af ​​en foton kunne være både lodret og vandret.

Hvis en række kvantebits - eller qubits, kvanteanalogen af ​​bitene i en klassisk computer - er i superposition, det kan, på en eller anden måde, finde flere løsninger på det samme problem samtidigt, derfor lover kvantecomputere speedups.

De fleste eksperimentelle qubits bruger ioner fanget i oscillerende magnetfelter, superledende kredsløb, eller - ligesom Englunds egen forskning - defekter i krystalstrukturen af ​​diamanter. Med alle disse teknologier, imidlertid, superpositioner er svære at vedligeholde.

Fordi fotoner ikke er særlig modtagelige for interaktioner med miljøet, de er gode til at opretholde superposition; men af ​​samme grund, de er svære at kontrollere. Og kvanteberegning afhænger af evnen til at sende kontrolsignaler til qubits.

Det er her, MIT -forskernes nye arbejde kommer ind. Hvis en enkelt foton kommer ind i deres enhed, det vil passere uhindret igennem. Men hvis to fotoner - i de rigtige kvantetilstande - forsøger at komme ind i enheden, de vil blive reflekteret tilbage.

Kvantetilstanden for en af ​​fotonerne kan således betragtes som styrende den andens kvantetilstand. Og kvanteinformationsteorien har fastslået, at simple kvante "porte" af denne type er alt, hvad der er nødvendigt for at bygge en universel kvantecomputer.

Usympatisk resonans

Forskernes enhed består af en lang, smal, rektangulær siliciumkrystal med regelmæssigt adskilte huller ætset i den. Hullerne er bredest i enderne af rektanglet, og de smalner mod midten. Tilslutning af de to midterste huller er en endnu smallere kanal, og i centrum, på modsatte sider, er to skarpe koncentriske spidser. Hulmønsteret fanger midlertidigt lys i enheden, og de koncentriske spidser koncentrerer det fangede lyss elektriske felt.

Forskerne prototypede enheden og viste, at den både begrænsede lys og koncentrerede lysets elektriske felt i den grad, som deres teoretiske modeller forudsagde. Men at gøre enheden til en kvanteport ville kræve en anden komponent, et dielektrisk klemt mellem spidserne. (Et dielektrikum er et materiale, der normalt er elektrisk isolerende, men som vil blive polariseret - alle dets positive og negative ladninger justeres i samme retning - når de udsættes for et elektrisk felt.)

Når en lysbølge passerer tæt på et dielektrikum, dets elektriske felt vil en smule fortrænge elektronerne i dielektrikums atomer. Når elektronerne springer tilbage, de vakler, som et barns gynge, når det bliver skubbet for hårdt. Dette er den ikke -linearitet, som forskernes system udnytter.

Størrelsen og afstanden til hullerne i enheden er skræddersyet til en bestemt lysfrekvens - enhedens "resonansfrekvens". Men den ikke -lineære svingning af dielektrikums elektroner bør flytte denne frekvens.

Normalt, dette skift er mildt nok til at være ubetydeligt. Men fordi de skarpe spidser i forskernes enhed koncentrerer de elektriske felter for at komme ind i fotoner, de overdriver også skiftet. En enkelt foton kunne stadig komme igennem enheden. Men hvis to fotoner forsøgte at komme ind i det, skiftet ville være så dramatisk, at de ville blive frastødt.

Praktisk potentiale

Enheden kan konfigureres, så det dramatiske skift i resonansfrekvens kun sker, hvis fotoner, der forsøger at komme ind i den, har særlige kvanteegenskaber - specifikke kombinationer af polarisering eller fase, for eksempel. Kvantetilstanden for en foton kan således bestemme måden, hvorpå den anden foton håndteres, det grundlæggende krav til en kvanteport.

Englund understreger, at den nye forskning ikke vil give en fungerende kvantecomputer i den nærmeste fremtid. For ofte, lys, der kommer ind i prototypen, stadig er enten spredt eller absorberet, og fotonernes kvantetilstande kan blive lidt forvrænget. Men andre applikationer kan være mere gennemførlige på kort sigt. For eksempel, en version af enheden kan give en pålidelig kilde til enkeltfotoner, hvilket i høj grad ville bidrage til en række undersøgelser inden for kvanteinformationsvidenskab og kommunikation.

"Dette værk er ganske bemærkelsesværdigt og unikt, fordi det viser stærk lys-stof-interaktion, lokalisering af lys, og relativt lang tids lagring af fotoner i så lille en skala i en halvleder, "siger Mohammad Soltani, en nanofotonisk forsker i Raytheon BBN Technologies 'Quantum Information Processing Group. "Det kan muliggøre ting, der var tvivlsomme før, som ikke-lineære enkelt-foton porte til kvanteinformation. Det virker ved stuetemperatur, det er solid-state, og det er kompatibelt med halvlederfremstilling. Dette arbejde er blandt de mest lovende til dato for praktiske enheder, såsom kvanteinformationsenheder. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.